帶內(nèi)加工倒角鋼管對(duì)接焊接接頭超聲波檢測

［摘要］火力發(fā)電廠中的各種管道部件對(duì)接接頭時(shí)有在焊件內(nèi)側(cè)加工倒角的情況，給超聲波檢測帶來很大困難，文章介紹帶內(nèi)加工倒角對(duì)接焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和超聲波檢測的一般技術(shù)方法，全面分析該類接頭超聲波探傷中可能出現(xiàn)的各種非缺陷回波并進(jìn)行定位計(jì)算，以便對(duì)缺陷回波的甄別，避免檢測過程中的誤判。

［關(guān)鍵詞］焊接接頭；超聲波；檢驗(yàn)

［作者簡介］陳云榮，臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心助理工程師，研究方向：鍋爐壓力容器檢驗(yàn)，浙江臺(tái)州，318000

［中圖分類號(hào)］ TM93［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1007-7723（2008）09-0152-0003

一、 前言

帶內(nèi)加工倒角對(duì)接焊的情況在實(shí)際檢驗(yàn)工作中經(jīng)常碰到，超聲波檢測回波復(fù)雜，對(duì)缺陷回波的判斷有一定技術(shù)難度。對(duì)不等厚平板對(duì)接焊件或能用手接觸到內(nèi)壁的帶內(nèi)加工倒角管對(duì)接焊件的超聲波檢測，回波的判斷相對(duì)來說還容易些，而對(duì)無法觸及內(nèi)壁的情況檢測就困難得多。大型火力發(fā)電廠中的蒸汽管道、高壓給水管道和各種集箱等對(duì)接接頭不管兩側(cè)焊件等厚或不等厚，時(shí)有在焊件內(nèi)側(cè)加工倒角的情況，給超聲波檢測帶來很大困難。不了解接頭結(jié)構(gòu)或沒有一定技術(shù)水平和豐富經(jīng)驗(yàn)的檢測人員對(duì)該類焊接接頭進(jìn)行檢測時(shí)，面對(duì)雜亂的回波往往感到困惑，或者是妄下錯(cuò)誤的結(jié)論，造成不必要的返修和重大經(jīng)濟(jì)損失。某鍋檢所在對(duì)一電廠主蒸汽管焊接接頭監(jiān)檢時(shí)就發(fā)生過這樣的情況，錯(cuò)誤認(rèn)為連接流量孔板管的幾道焊接接頭有多處嚴(yán)重的超標(biāo)缺陷波，要求更換設(shè)備，嚴(yán)重拖延了工期，并給廠家造成重大經(jīng)濟(jì)損失。事后經(jīng)筆者和多方專家檢驗(yàn)確認(rèn)，所謂的“缺陷”波其實(shí)是由于帶內(nèi)加工倒角焊接接頭結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致的變形波，由于檢測人員技術(shù)不熟練和經(jīng)驗(yàn)不足引起誤判。為避免類似的情況再次發(fā)生，本文對(duì)該類焊接接頭的超聲波檢測技術(shù)作一些介紹，以供同行參考。

二、焊件的坡口結(jié)構(gòu)

按有關(guān)技術(shù)規(guī)范（如DL/T869-2004火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程）規(guī)定，焊件組對(duì)時(shí)應(yīng)使內(nèi)壁齊平，不同厚度焊件對(duì)口時(shí)一般應(yīng)按圖1所示的形式進(jìn)行加工。內(nèi)加工倒角距焊件邊有一水平段，這樣在超聲波檢測時(shí)由內(nèi)倒角引起的反射波一般不會(huì)干擾判傷。但安裝現(xiàn)場組對(duì)時(shí)由于加工條件有限或由于其他原因，往往加工成圖1（d）的形式，超聲波檢測時(shí)接頭內(nèi)倒角反射的回波會(huì)干擾判傷，內(nèi)倒角角度條件符合時(shí)還會(huì)產(chǎn)生變形縱波，使得判傷更加復(fù)雜，對(duì)沒有一定經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員非常容易導(dǎo)致誤判。本文只針對(duì)一種典型的情形進(jìn)行分析討論，其余可以類推。試驗(yàn)的焊件按圖1（d）的形式加工組焊，屬于等外徑不等厚對(duì)接，材質(zhì)為12Cr1MoV，管厚側(cè)規(guī)格為Φ273×35，管薄側(cè)規(guī)格為Φ273×30，焊縫余高3mm，內(nèi)倒角30°，即t1=30mm，t2=35mm，γ=30 °，△t=3mm。

三、 準(zhǔn)備工作

（一）儀器設(shè)備

超聲波探傷儀：采用水平線性較好的可記錄的數(shù)字式超聲波探傷儀，能預(yù)先調(diào)節(jié)存儲(chǔ)多個(gè)探頭參數(shù)，記錄波型，進(jìn)行準(zhǔn)確定位計(jì)算，方便操作。本文采用的是美國泛美EPOCH Ⅲ-2300型測厚探傷兩用數(shù)字式超聲波探傷儀。

探頭：由于工件表面是曲面，晶片不能太大，對(duì)一般材料選用2.5MHZ的頻率是合適的，按照工件厚度選用適當(dāng)K值。為便于分析說明，充分考慮變形波的情況，本文采用2.5P13×13K1.5和2.5P13×13K2.5兩種斜探頭檢測。

試塊：CSK—ⅠA，CSK—ⅢA

耦合劑：機(jī)油

（二）儀器調(diào)節(jié)方法

檢測前用CSK—ⅠA試塊的R100圓弧面準(zhǔn)確測定探頭前沿長度，用CSK—ⅠA試塊中深Φ50階梯孔準(zhǔn)確測定探頭的實(shí)際K值，在CSK—ⅢA試塊上按深度1∶1的比例調(diào)節(jié)掃描速度。注意，掃描速度的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)能保證探傷時(shí)在屏幕上出現(xiàn)二次底波，并預(yù)留有足夠的探傷高靈敏度余量。

（三）探測面

用K1.5和K2.5兩種K值的探頭在焊縫的兩測分別以一、二次波檢測，在薄管側(cè)檢測的情況與一般等厚對(duì)接接頭無大差別，不作過多介紹。由于產(chǎn)生變形波是由管內(nèi)倒角反射引起的，這也正是檢測困難的原因所在。所以，本文著重討論的是在管壁厚側(cè)的二次波檢測情況，一次波檢測與一般接頭沒有什么大的區(qū)別，不作介紹。

（四）焊件的測量

最好是焊接前用工具準(zhǔn)確測量接頭兩側(cè)的壁厚及內(nèi)倒角的長度和角度，以便計(jì)算分析。很多情況是焊接已完成，無法直接測量。這種情況下用小探頭的測厚儀從接頭母材側(cè)慢慢接近焊縫測厚，也可以大概估計(jì)內(nèi)倒角的長度和角度，另外也可查看施工圖紙或向組裝焊件的有關(guān)人員詢問。

四、反射回波分析

（一）一次波檢測

在厚管側(cè)一次波檢測時(shí)前后移動(dòng)探頭一般會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)回波信號(hào)。前一個(gè)信號(hào)是焊根的反射，其顯示深度對(duì)于本文給定的焊件約是h1=30mm，水平定位于焊縫中心線對(duì)側(cè)一點(diǎn)；后一個(gè)信號(hào)是內(nèi)倒角引起的反射，顯示深度h2=35mm，信號(hào)較強(qiáng)，位置固定，水平定位于探頭側(cè)焊縫邊沿。這兩個(gè)信號(hào)都容易分辨，如果在深度30 mm以內(nèi)出現(xiàn)反射信號(hào)就是缺陷波。

（二）二次波檢測

二次波檢測是本文分析的重點(diǎn)。當(dāng)探頭離焊縫較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波主聲束沒打到內(nèi)倒角，傳播路徑與一般的等厚對(duì)接焊縫的情況沒什么區(qū)別，移動(dòng)探頭屏幕將出現(xiàn)經(jīng)焊縫表面反射回的二次波信號(hào)，儀器上的深度讀數(shù)h3=70mm ，注意此處是以管壁厚側(cè)計(jì)算。當(dāng)探頭往焊縫推近時(shí)，超聲波主聲束打到內(nèi)倒角并發(fā)生反射。由于內(nèi)倒角的傾斜，超聲波的傳播路徑與常規(guī)的底面反射發(fā)生了偏折，另外依據(jù)內(nèi)倒角的角度和探頭K值不同有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)內(nèi)倒角反射時(shí)橫波入射角小于第三臨界角，橫波向縱波轉(zhuǎn)換情況。如果不了解這種情況，簡單地看，回波信號(hào)水平定位于焊縫或熱影響區(qū)內(nèi)，離表面有一定深度，非常容易誤判為缺陷。入射波在內(nèi)倒角坡口面的反射位置不同，定位計(jì)算的結(jié)果略有差異，一般情況下內(nèi)倒角坡口面只有幾毫米寬，入射波主聲束打到內(nèi)倒角坡口面中間位置反射回波最大。下面按兩種K值探頭檢測情況進(jìn)行近似的計(jì)算分析。

1.K2.5探頭檢測時(shí)非缺陷回波分析

這種情況下不產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)經(jīng)內(nèi)倒角反射再經(jīng)焊縫表面反射回的二次波，總聲程S=S1 +S2，S1為內(nèi)倒角坡口反射前的聲程，S2為經(jīng)內(nèi)坡口反射后的聲程，CO和AO分別是底面和倒角斜面的法線，參見圖2標(biāo)注。

已知 K=2.5，γ=30°，t1=30mm，t2=35mm，△t=3mm，

得 β= arctgk=arctg2.0=68.2°

S1=［( t1+ t2)/2］/cosβ= 32.5/cos68.2°=87.5

AO= ( t1+ t2)/2+△t=35.5

按光的反射原理及幾何學(xué)原理不難證明:

∠AOC=γ=30°，∠AOD=β=68.2°

∠COD=∠BOC=∠AOD -∠AOC =68.2°-30°=38.2°

∠AOB=∠BOC-∠AOC =38.2°-30°=8.2°

S 2=AO/cos∠AOB=35.5/cos8.2°=35.9

S= S1 +S 2=87.5+35.9=123.4

儀器顯示的深度讀數(shù) h4 = S×cosβ=123.4×cos68.2°=45.8，按常規(guī)折算為離焊縫表面深度h4'=2t2- h4=2×35-49.3=20.7。由此可見，本來是焊縫外表面反射的回波信號(hào)在儀器上顯示為焊縫內(nèi)部的偽缺陷信號(hào)。

2.K1.5探頭檢測時(shí)非缺陷回波分析

這種情況下將產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換，同時(shí)現(xiàn)經(jīng)內(nèi)倒角反射再經(jīng)焊縫表面反射回的二次橫波和縱波?？偮暢蘏=S1 +S 2，S'= S1 + S 3'，S1為內(nèi)倒角坡口反射前一段的橫波聲程，S 2為經(jīng)內(nèi)倒角坡口反射后一段的橫波聲程，S 3為經(jīng)內(nèi)倒角坡口反射后一段的縱波聲程，S3'是S3折算成相當(dāng)于橫波的聲程，CO和AO分別是底面和倒角斜面的法線，參見圖3標(biāo)注。

已知 K=1.5，γ=30°，t1=30mm，t2=35mm，△t=3mm

得β=arctgk=arctg1.5=56.3°

S1=［( t1+ t2)/2］/cosβ= 32.5/cos56.3°=58.6

AO= ( t1+ t2)/2+△t=35.5

按光的反射原理及幾何學(xué)原理不難證明：

∠AOC=γ=30°，∠AOD=β=56.3°

∠COD=∠BOC=∠AOD -∠AOC =56.3°-30°=26.3°

∠AOB=∠AOC -∠BOC =30°-26.3°=3.7°

S 2=AO/cos∠AOB=35.5/cos3.7°=35.6

S= S1 +S 2=58.6+35.6=94.2

儀器顯示的深度讀數(shù) h5 = S×cosβ=94.2×cos56.3°=52.3，按常規(guī)折算為離焊縫表面深度h5'=2t2- h5=2×35-52.3=17.7。由此可見，本來是焊縫外表面反射的回波信號(hào)在儀器上顯示為焊縫內(nèi)部的偽缺陷信號(hào)。

另外，由于內(nèi)倒角坡口反射時(shí)入射角∠COD=26.3°小于鋼的第三臨界角33.2°，所以會(huì)產(chǎn)生變形縱波。下面計(jì)算其縱波聲程：

根據(jù)斯涅爾定律計(jì)算，∠COE=arc(5900÷3230×sin26.3°)=54°

∠AOE=∠COE-∠AOC=54°-30°=24°

S 3= AO/cos∠AOE=35.5/cos24°=38.8

折算成橫波聲程S 3'=38.8×3230/5900=21.2

S'= S1 + S 3'=58.6+21.2=79.8

儀器顯示的深度讀數(shù) h6 = S / ×cosβ=79.8×cos56.3°=44.3，按常規(guī)折算為離焊縫表面深度h6'=2t2- h6=2×35-44.3=25.7。由此可見，本來是焊縫外表面反射的變形縱波回波信號(hào)在儀器上顯示為焊縫內(nèi)部的偽缺陷信號(hào)。

五、結(jié)論

對(duì)帶內(nèi)倒角的焊接接頭用二次波進(jìn)行超聲波檢測時(shí)，如果底面一次反射點(diǎn)位于倒角斜面上，反射回波可能有路徑改變了的橫波和縱波信號(hào)，回波信號(hào)的定位計(jì)算不能套用常規(guī)的方法。超聲波儀器上顯示的深度讀數(shù)是依據(jù)聲程按設(shè)定的折射角計(jì)算來的，對(duì)二次波探傷而言，一次波反射平面必須與檢測平面平行，顯示的深度讀數(shù)才是真實(shí)可靠的，否則會(huì)有很大偏差。經(jīng)內(nèi)倒角一次反射后再經(jīng)焊縫表面反射的回波一般較有規(guī)律，位置相對(duì)固定，有較大連續(xù)長度，水平一般定位于對(duì)側(cè)熱影響內(nèi)，有時(shí)也定位于焊縫邊沿，用沾油的手指輕拍焊縫邊緣可看到信號(hào)抖動(dòng)，結(jié)合計(jì)算綜合判斷是可以與缺陷波分辨開的。如果把焊縫打磨與母材平整，由于不具備超聲波反射回路，這些非缺陷回波一般不再出現(xiàn)。如果在本文非缺陷回波計(jì)算結(jié)果以外深度出現(xiàn)信號(hào)，則為缺陷波，利用以上例子倒推的方法即可確定其實(shí)際深度，在此不再贅述。

六、幾點(diǎn)體會(huì)

第一，不等厚帶內(nèi)倒角管焊接接頭超聲波檢測反射回波較復(fù)雜，需要檢測者有一定的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在不進(jìn)行全面分析的情況下，不宜輕易下結(jié)論。

第二，探傷前一定要做好準(zhǔn)備工作，了解清楚焊接接頭的坡口結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確測量兩側(cè)母材壁厚，掌握聲波的傳播路徑，通過畫圖進(jìn)行計(jì)算分析。

第三，必要時(shí)可采用射線透照或著色探傷等輔助手段進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)。

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